ОБУЧАЮЩИЙ ПРОГРАММНЫЙ ПОШАГОВЫЙ СИМУЛЯЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ПО НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫМ ТИПАМ ОПЕРАТИВНЫХ ВМЕШАТЕЛЬСТВ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ МЕДИЦИНСКИМ КОНТЕНТОМ

На текущий момент в учебных медицинских учреждениях наблюдается острая нехватка биологического материала и анатомических препаратов, используемых в качестве иллюстративного и обучающего материала на курсах анатомии, топографической анатомии, оперативной хирургии и других естественно-научных дисциплин. В сложившейся ситуации проблема решается за счет использования интерактивных симуляционных средств обучения, рассматриваемых как разновидность современной технологии подготовки высококвалифицированных специалистов медицинской сферы

Цель настоящей статьи – анализ возможностей цифрового продукта, разработанного в рамках НИОКР «Проектирование и разработка обучающего программного обеспечения «База данных пошаговых симуляционных комплексов по наиболее распространенным типам оперативных вмешательств с интегрированным медицинским контентом» при финансовой поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям).

Обучающий программный комплекс представляет собой интерактивный самоучитель с элементами искусственного интеллекта, используя который обучающиеся могут комплексно усвоить ведение конкретного типа пациентов – от постановки диагноза до хирургического лечения, с учетом возможных наиболее распространённых ошибок и постоперационного ведения больного. Цифровой продукт обладает следующими инновационными потребительскими свойствами:

1. Пошаговая подача материала. В рамках созданной образовательной базы данных присутствует несколько учебных блоков: клинико-патологические особенности заболеваний; анатомический обзор области для проведения оперативного вмешательства; блок диагностической информации; пошаговая анимация проводимого хирургического вмешательства; запись реального хирургического вмешательства; проверочный блок. Предполагается, что обучающиеся в рамках изучения одного оперативного вмешательства должны проходить пошаговое знакомство с материалом, представленном в каждом из вышеперечисленных блоков. Таким образом, у них будет создаваться комплексная картина проявления (симптоматики) заболевания, его диагностирования и операционного лечения. Кроме того, обучающий материал будет подаваться порционно, постепенно переходя от легкого в понимании к более сложному. Так, студентам сначала предложат ознакомиться с нормальной анатомией области хирургического вмешательства, затем будет изложена патологическая анатомия конкретного заболеваний и только затем пошаговое хирургическое лечение;

2. Междисциплинарный подход. К процессам разработки программного комплекса были привлечены эксперты и практикующие специалисты различных естественно-научных направлений – анатомия, топографическая анатомия, оперативная хирургия, функциональная диагностика и тому подобное. Таким образом, благодаря использованию различных типов данных, у обучающихся создастся комплексное представление об оперативном вмешательстве. В реальности, чтобы получить такой объем междисциплинарных знаний, обучающимся пришлось бы прослушать курсы на разных медицинских кафедрах;

3. Наличие редких медицинских данных в виртуальном изображении. К таким типам данных относятся патологии в различных стадиях, в том числе встречающиеся только в экстренных и чрезвычайных ситуациях (ампутация плеча, предплечья, бедра, голени) и возможность отработки нештатных ситуаций в ходе оперативного вмешательства. Зачастую в процессе обучения оказывается невозможным обеспечить доступ студентов к полному набору патологических состояний в различных стадиях. В этом случае содержащиеся в цифровом продукте редкие медицинские данные будут иметь особую актуальность. Используя их, студенты гарантированно будут иметь возможность получить требуемый опыт работы с полным набором патологических состояний. Кроме того, в отличие от реальных клинических случаев, при использовании программного комплекса у обучающихся будет возможность поработать с конкретной патологией или нештатной ситуацией неограниченное количество раз, что гарантирует прочное усвоение учебного материала;

4. Комплексное использование современных информационных и графических технологий. В ходе формирования базы данных были использованы: трехмерные виртуальные анатомические модели области оперативного вмешательства, ролики с анимированным виртуальным моделями, видео материалы с записями реальных операций, данные диагностики, иллюстративные материал в виде фото, рисунков, схем, диаграмм. В ходе работы была применена технология дополненной реальности, когда обработанная информация и объекты виртуального мира (трехмерные виртуальные анатомические модели) выводятся «поверх» реальных объектов, информационно «насыщая» их. Использование таких современных цифровых технологий относит данную разработку к области симуляционных, визуализационных и когнитивных технологий в медицине.

Состав модулей цифрового продукта приведен в табл. 1.

В рамках опытно-тестовой эксплуатации программного продукта были отобраны оперативные вмешательства, имеющие наибольшую актуальность в хирургии:

– операции, применяемые при оказании реанимационных мероприятий (коникотомия, трахеотомия, трахеостомия);

– операции, которые проводятся как экстренно, так и в плановом режиме, но имеющие наибольшую распространённость (аппендэктомия, холецистэктомия, операция по поводу внематочной беременности);

– операции, проводимые при чрезвычайных ситуациях и техногенных катастрофах (ампутация плеча, ампутация предплечья, ампутация бедра, ампутация голени).

Для каждого из типов оперативных вмешательств был подобран набор исходных видеозаписей. Основным критерием формирования выборки была необходимость формирования не только классических представлений, но и развитие широты знаний студентов за счет дополнительного знакомства с современными методиками. Общий объем исходных видеозаписей составляет более 180 ГБ. Пример подборки исходных видеозаписей по внематочной беременности представлен на рис. 1.

Рисунок 1 - Подборка исходных видеозаписей по внематочной беременности

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.2

Далее для каждого типа вмешательства разрабатывался сценарий видеозаписи идеального течения операции, включавший посекундную раскадровку сборки видеофайла из исходных видеозаписей, а также мультимедиа объектов: фотографий, рисунков, 3D-объектов.

Подбор мультимедиа объектов осуществлялся по принципу их максимального соответствия программе 3-4 курса высшего медицинского образовательного учреждения

Рисунок 2 - Пример изображения для интеграции в видеозапись оперативного вмешательства «Внематочная беременность»

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.3

Рисунок 3 - Пример изображения для интеграции в видеозапись оперативного вмешательства «Внематочная беременность»

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.4

Разработка 3D моделей инструментов проводилась методом оцифровки с реальных объектов. Выполнялось фотографирование каждого инструмента с различных ракурсов, замерялись ключевые размеры. После в программе трехмерного моделирования объектов формировался макет с помощью ключевых, опорных точек. Для всех инструментов сохранена не только внутренняя геометрия, но и относительные размеры одних инструментов относительно других. Далее на модель была наложена текстура и заданы параметры освещения. Пример разработанных трехмерных моделей инструментов приведены на рис. 4.

Рисунок 4 - Пример трехмерных моделей инструментов

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.5

Разработка 3D моделей органов проводилась по методу построения геометрии, исходя из известных данных о внутренних органах человеческого тела, опубликованных в анатомических атласах. Текстуры для моделей рисовались на основе свободно распространяемых фотографий в сети Интернет. Примеры разработанных трехмерных моделей органов и тканей приведены на рис. 5 и рис. 6.

Рисунок 5 - Пример трехмерного изображения части репродуктивной системы женщины

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.6

Рисунок 6 - Пример трехмерного изображения участка трахеи

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.7

В среднем длительность видеозаписи идеального хода течения операции составляет 20-40 минут, в то время как само оперативное вмешательство может занимать от 30 минут до десяти и более часов. В связи с этим в информационной системе предусмотрен модуль, в котором собраны полные записи реального оперативного вмешательства. Размещенная в базе данных видеозапись снабжается небольшим предпросмотровым текстовым комментарием, в самой записи операции звук и видеоряд сохранены оригинальные.

В качестве базового документального сопровождения видеоматериалов приводятся предметные обзорные детализирующие сведения: описание основных зон, отделов, органов и тканей, которые затрагиваются в процессе операции, результаты диагностических исследований, основные методы диагностики, методы лечения, а также особенности послеоперационного течения заболевания. Документы снабжены иллюстрациями и комментариями.

Модуль «проверочный блок» содержит тесты по рассматриваемым типам оперативных вмешательств, содержание проверочных материалов соответствует знаниям студента 3-4 курсов медицинских ВУЗов. Настройка вопросов, ответов, времени, отводимого на решение теста проводится в панели администратора, пример страницы с тестом по аппендэктомии приведен на рис. 7.

Рисунок 7 - Страница модуля «Проверочный блок», пример прохождения теста по апендэктомии

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.46.8

Сопоставление основных технико-экономических параметров разработанного прототипа базы данных пошаговых симуляционных обучающих комплексов по наиболее распространенным типам оперативных вмешательств с имеющимися российскими и зарубежными аналогами приведено в табл. 2

Следующий шаг в развитии разработанной базы данных оперативных вмешательств – это её продвижение среди потенциальных потребителей. В настоящее время система проходит апробацию на практических занятиях в ПМГМУ им И.М. Сеченова, планируется тестовое использование в Самарском государственном медицинском университете. Кроме того, будет проведена адаптация контента под возраст 16+ с целью применения базы данных в качестве учебного пособия на уроках в школах для формирующихся в настоящее время в больших количествах классов медицинского профиля.

В случае успешной апробации в среде высшего и среднего образования описание характеристик цифрового продукта будут направлены в соответствующие ведомства с целью получения положительного заключения и рекомендаций к применению на территории Российской Федерации.